大型射电望远镜伺服系统控制方法的比较与研究
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摘要
天线控制系统设计是目前的一个热点问题。人们希望在天线口径增大,频率增高的同时,满足控制系统的指向精度,响应速度以及鲁棒性等要求。
本文围绕大型天线系统的控制器设计问题展开。首先针对大型天线系统,利用国内外各种现有的控制方法对其进行分析以及仿真,比较并总结各种控制方法的优劣。
其次,针对大型天线系统存在外界扰动的问题,本文比较各种控制方法的鲁棒性。并指出控制精度好的控制系统,其鲁棒性则较差这一问题。指明了控制精度和鲁棒性是相互矛盾的。
最后,本文提出了一种滑模反馈控制方法。利用滑模控制器鲁棒性好的优点,以及反馈通道可以削弱噪音扰动的特性,提高控制系统的控制精度以及该系统的鲁棒性。并从理论上对其稳定性进行了证明。并且通过实验以及仿真对该方法的有效性进行了验证。
The study of control design strategies for large radio telescope has become a hot topic at present. High frequency large aperture antennas are needed. The requirements of point become more and more accuracy. And the robustness should be good as well.
This paper is aiming at the design of controller. Firstly, compare some advantages and disadvantages of different methods. Then made some summarizes of it.
Secondly, aiming at the uncertain problem of high frequency large aperture antenna, robustness is compared in this paper. And make the conclusion that the accuracy and the robustness are inconsistent with each other.
Finally, sliding mode feedback control is proposed in this paper. It is used to improve controlling accuracy and robustness. Then, the analysis of robust stability is given. The simulation and real experiment results show the effectiveness of this method.
本文围绕大型天线系统的控制器设计问题展开。首先针对大型天线系统,利用国内外各种现有的控制方法对其进行分析以及仿真,比较并总结各种控制方法的优劣。
其次,针对大型天线系统存在外界扰动的问题,本文比较各种控制方法的鲁棒性。并指出控制精度好的控制系统,其鲁棒性则较差这一问题。指明了控制精度和鲁棒性是相互矛盾的。
最后,本文提出了一种滑模反馈控制方法。利用滑模控制器鲁棒性好的优点,以及反馈通道可以削弱噪音扰动的特性,提高控制系统的控制精度以及该系统的鲁棒性。并从理论上对其稳定性进行了证明。并且通过实验以及仿真对该方法的有效性进行了验证。
The study of control design strategies for large radio telescope has become a hot topic at present. High frequency large aperture antennas are needed. The requirements of point become more and more accuracy. And the robustness should be good as well.
This paper is aiming at the design of controller. Firstly, compare some advantages and disadvantages of different methods. Then made some summarizes of it.
Secondly, aiming at the uncertain problem of high frequency large aperture antenna, robustness is compared in this paper. And make the conclusion that the accuracy and the robustness are inconsistent with each other.
Finally, sliding mode feedback control is proposed in this paper. It is used to improve controlling accuracy and robustness. Then, the analysis of robust stability is given. The simulation and real experiment results show the effectiveness of this method.
引文
[1]张生.环形调液阻尼理论分析及其在大射电望远镜上的应用.西安电子科技大学硕士学位论文.2010,01。
[2]吴娟,孙娟萍,肖勇等.自校正PID控制在雷达天线控制系统中的应用.自动化仪表.2009, 7,30(7).69-71。
[3]保宏,段宝岩,米建伟.柔性支撑下的Stewart平台速度控制.西安电子科技大学学报. 2006,8,33(4) .535- 38。
[4]程源,任革学,戴诗亮.柔性支撑Stewart平台动力学与控制仿真.清华大学学报(自然科学版).2003,43(11).1519-1522。
[5]王伟,张晶涛,柴天佑. PID参数先进整定方法综述.自动化学报. 2000,5,26(3).347-355。
[6]陶永华.《新型PID控制及其应用》介绍.华东冶金学院学报. 1999,9,1(3).46-59。
[7]李天睿,郭从良.射电望远镜PID控制系统仿真.计算机仿真.2009,4,26(4).85-88。
[8]褚立新,林辉.基于积分反推原理的天线定向伺服技术研究.中国空间科学技术. 2008,2,28(1).54-59。
[9]龙连春,隋允康.自适应天线结构位移最优控制.工程力学. 2005,4,22(2). 236-240。
[10] Wodek Gawronski.Antenna Control Systems:From PI to H∞. IEEE Anten- nas and Propagation Magazine .2001, 4,3(1) ,52-60。
[11] Gawronski.Antenna Linear-Quadratic-Gaussian (LQG) Controllers:Properties,Limits of Performance,and Tuning Procedure.IPN Progress Report.2004,8,42(158) .1-18。
[12] Wodek K.Gawronski,C.S. Racho,Jeffrey A .Mellstrom.Application of the LQG and Feedforward Controllers to the Deep Space Network Antennas.IEEE transactions on control systems technology.1995,9,3(4) . 417-421。
[13]杨要恩,刘明治,王淑艳等.基于智能结构的空间大型可展开天线H∞振动控制.南京理工大学学报.2005,10,29(144).112-115。
[14]刘明治,高桂芳.空间可展开天线结构研究进展.宇航学报.2003,1,24 (01) .82-87。
[15] Jia-Yush Yen,Hui-Man Chang.Performance robustness and stiffness analysis on a machine tool servo design.International Journal of Machine Tools & Manufacture.2004,4,44(5) .523-531。
[16]陶佳安.高性能天线伺服控制器的研究与设计.测控技术.2008, 27(6). 44-49。
[17]沈少萍.特征模型方法在中继星天线指向控制中的应用.计算机仿真. 2008,7,25(7).50-53。
[18]余创,刘向东.基于自适应滑模变结构的卫星天线指向伺服控制系统设计.系统仿真学报.2007,3,19(6).1351-1357。
[19]李果,胡剑飞,姬献征.移动卫星天线μ鲁棒控制设计.中国工程科学.2007,5,9(5).22-25。
[20]李果,胡剑飞,余达太.移动卫星天线的自适应鲁棒控制系统. 2007,4,24(2).307-311。
[21]刘小明.基于定量反馈理论的天线稳定平台跟踪控制系统设计.电光与控制.2009,10,16(10).83-86。
[22]卢飞星,亓迎川,林洁等.模块化雷达天线控制系统的设计.空军雷达学院学报.2001,3,15(1).26-29。
[23]李会锋,孙越,康妮等.模糊控制在雷达天线控制系统中的应用.飞行器测控学报.2005,8,24(4).71-75。
[24]生力松,余达太,李果等.车载天线跟踪系统的智能控制.计算机测量与控制. 2006,14(2).212-216。
[25]王相锋,张晋,艾力,玉苏甫.25m射电望远镜自动换馈系统模糊控制策略的软硬件实现.天文研究与技术(国家天文台台刊.2005,9,2(3).162-169。
[26]朱承元,杨涤,李顺利.用户卫星天线跟踪指向自抗扰控制方法.北京理工大学学报.2006,1,26(1).82-66。
[27] Wodek K.Gawronski. Advanced Structural Dynamics and Active Control of Structures.New York:Springer Mechanical Engineering Series.2004。
[28] Wodeck K.Gawronski,C.S. Racho,Jeffrey A. Mellstrom. Application of the LQG and Feedforward Controllers to the Deep Space Network Antennas. IEEE transaction on control system technology.1995,9,3(4).417-421。
[29] W.Gawronski, H.G. Ahlstrom,Jr A.M. Bernardo .Control Systems of he Nasa 70-Meter Antennas. 2003,8,11(14).1-9。
[30]朱新颖,张洪波,孔德庆. 40m天线预测控制算法的研究.天文研究与技术(国家天文台台刊). 2007,2,4(2).176-180。
[31]杨庚辰.自动控制原理.第1版.西安:西安电子科技大学出版社,1994。
[32] K.Gawronski.Servo-Performance Parameters of the NASA Deep Space Network Antennas.IEEE Antennas and Propagation Magazine.2007,9,49(6).40-46。
[33] K.Gawronski .Antenna linear-quadratic-gaussion(LQG) controllers:properties,limits of performance,and tuning procedure.IPN Progress Report .2004,8,42(158) . 1-18。
[34]姚南南. Ka波段大型天线控制系统LQG控制器的设计.通信与测量.2003,10,19.100-101。
[35] Ohm, D.Y . Analysis of PID and PDF compensators for motion control systems. IEEE.1994,10,2(6).1923-1929。
[36]曾文火,邵福.电液速度伺服伪微分反馈控制系统.液压与气动.2003,12. 1-3。
[37]李智铭,徐庚保.二阶被控对象PDF控制器设计的新途径.航天控制. 1998 ,3,16(2).63-69。
[38] Franck Plestan,Emmanuel Moulay,Alain Glumineau etal. Robust output feedback sampling control based on second-order sliding mode. Automatica. 2010,4,46(6) .1096-1100。
[39] Igor Boiko, Ivan Castellanos,Leonid Fridman. Describing function analysis of second order sliding mode ovservers.Proceedings of the 2006 American Control Conference.2006,6.2616-2621。
[40] I .Boiko,L .Fridman,R .Iriarte. Analysis of chattering in continuous sliding mode control.Proceedings of the 2006 American Control Conference.2005 , 6 , 50(9) .1442-1446。
[2]吴娟,孙娟萍,肖勇等.自校正PID控制在雷达天线控制系统中的应用.自动化仪表.2009, 7,30(7).69-71。
[3]保宏,段宝岩,米建伟.柔性支撑下的Stewart平台速度控制.西安电子科技大学学报. 2006,8,33(4) .535- 38。
[4]程源,任革学,戴诗亮.柔性支撑Stewart平台动力学与控制仿真.清华大学学报(自然科学版).2003,43(11).1519-1522。
[5]王伟,张晶涛,柴天佑. PID参数先进整定方法综述.自动化学报. 2000,5,26(3).347-355。
[6]陶永华.《新型PID控制及其应用》介绍.华东冶金学院学报. 1999,9,1(3).46-59。
[7]李天睿,郭从良.射电望远镜PID控制系统仿真.计算机仿真.2009,4,26(4).85-88。
[8]褚立新,林辉.基于积分反推原理的天线定向伺服技术研究.中国空间科学技术. 2008,2,28(1).54-59。
[9]龙连春,隋允康.自适应天线结构位移最优控制.工程力学. 2005,4,22(2). 236-240。
[10] Wodek Gawronski.Antenna Control Systems:From PI to H∞. IEEE Anten- nas and Propagation Magazine .2001, 4,3(1) ,52-60。
[11] Gawronski.Antenna Linear-Quadratic-Gaussian (LQG) Controllers:Properties,Limits of Performance,and Tuning Procedure.IPN Progress Report.2004,8,42(158) .1-18。
[12] Wodek K.Gawronski,C.S. Racho,Jeffrey A .Mellstrom.Application of the LQG and Feedforward Controllers to the Deep Space Network Antennas.IEEE transactions on control systems technology.1995,9,3(4) . 417-421。
[13]杨要恩,刘明治,王淑艳等.基于智能结构的空间大型可展开天线H∞振动控制.南京理工大学学报.2005,10,29(144).112-115。
[14]刘明治,高桂芳.空间可展开天线结构研究进展.宇航学报.2003,1,24 (01) .82-87。
[15] Jia-Yush Yen,Hui-Man Chang.Performance robustness and stiffness analysis on a machine tool servo design.International Journal of Machine Tools & Manufacture.2004,4,44(5) .523-531。
[16]陶佳安.高性能天线伺服控制器的研究与设计.测控技术.2008, 27(6). 44-49。
[17]沈少萍.特征模型方法在中继星天线指向控制中的应用.计算机仿真. 2008,7,25(7).50-53。
[18]余创,刘向东.基于自适应滑模变结构的卫星天线指向伺服控制系统设计.系统仿真学报.2007,3,19(6).1351-1357。
[19]李果,胡剑飞,姬献征.移动卫星天线μ鲁棒控制设计.中国工程科学.2007,5,9(5).22-25。
[20]李果,胡剑飞,余达太.移动卫星天线的自适应鲁棒控制系统. 2007,4,24(2).307-311。
[21]刘小明.基于定量反馈理论的天线稳定平台跟踪控制系统设计.电光与控制.2009,10,16(10).83-86。
[22]卢飞星,亓迎川,林洁等.模块化雷达天线控制系统的设计.空军雷达学院学报.2001,3,15(1).26-29。
[23]李会锋,孙越,康妮等.模糊控制在雷达天线控制系统中的应用.飞行器测控学报.2005,8,24(4).71-75。
[24]生力松,余达太,李果等.车载天线跟踪系统的智能控制.计算机测量与控制. 2006,14(2).212-216。
[25]王相锋,张晋,艾力,玉苏甫.25m射电望远镜自动换馈系统模糊控制策略的软硬件实现.天文研究与技术(国家天文台台刊.2005,9,2(3).162-169。
[26]朱承元,杨涤,李顺利.用户卫星天线跟踪指向自抗扰控制方法.北京理工大学学报.2006,1,26(1).82-66。
[27] Wodek K.Gawronski. Advanced Structural Dynamics and Active Control of Structures.New York:Springer Mechanical Engineering Series.2004。
[28] Wodeck K.Gawronski,C.S. Racho,Jeffrey A. Mellstrom. Application of the LQG and Feedforward Controllers to the Deep Space Network Antennas. IEEE transaction on control system technology.1995,9,3(4).417-421。
[29] W.Gawronski, H.G. Ahlstrom,Jr A.M. Bernardo .Control Systems of he Nasa 70-Meter Antennas. 2003,8,11(14).1-9。
[30]朱新颖,张洪波,孔德庆. 40m天线预测控制算法的研究.天文研究与技术(国家天文台台刊). 2007,2,4(2).176-180。
[31]杨庚辰.自动控制原理.第1版.西安:西安电子科技大学出版社,1994。
[32] K.Gawronski.Servo-Performance Parameters of the NASA Deep Space Network Antennas.IEEE Antennas and Propagation Magazine.2007,9,49(6).40-46。
[33] K.Gawronski .Antenna linear-quadratic-gaussion(LQG) controllers:properties,limits of performance,and tuning procedure.IPN Progress Report .2004,8,42(158) . 1-18。
[34]姚南南. Ka波段大型天线控制系统LQG控制器的设计.通信与测量.2003,10,19.100-101。
[35] Ohm, D.Y . Analysis of PID and PDF compensators for motion control systems. IEEE.1994,10,2(6).1923-1929。
[36]曾文火,邵福.电液速度伺服伪微分反馈控制系统.液压与气动.2003,12. 1-3。
[37]李智铭,徐庚保.二阶被控对象PDF控制器设计的新途径.航天控制. 1998 ,3,16(2).63-69。
[38] Franck Plestan,Emmanuel Moulay,Alain Glumineau etal. Robust output feedback sampling control based on second-order sliding mode. Automatica. 2010,4,46(6) .1096-1100。
[39] Igor Boiko, Ivan Castellanos,Leonid Fridman. Describing function analysis of second order sliding mode ovservers.Proceedings of the 2006 American Control Conference.2006,6.2616-2621。
[40] I .Boiko,L .Fridman,R .Iriarte. Analysis of chattering in continuous sliding mode control.Proceedings of the 2006 American Control Conference.2005 , 6 , 50(9) .1442-1446。